華南理工：熱處理促進再結(jié)晶，調(diào)控LPBF制備CoCrMo合金各向異性

2025年3月17日，南極熊獲悉，來自華南理工大學(xué)和北京清華長庚醫(yī)院的研究人員分析了熱處理工藝對激光粉末床熔融 (LPBF) 制造CoCrMo 合金各向異性行為的影響，重點研究了微觀結(jié)構(gòu)變化、機械各向異性和殘余應(yīng)力降低。研究探索了在 1150°C 下進行 1 小時的固溶處理，然后在 450°C 下進行 0.5 小時的退火，如何改變晶粒形態(tài)、抗拉強度和伸長率。

相關(guān)研究以題為“Recrystallization induced by heattreatment regulates the anisotropic behavior of CoCrMo alloys fabricated bylaser powder bed fusion”的論文發(fā)表在《Materials Futures》期刊上。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2752-5724/adb50a

CoCrMo 合金因其耐腐蝕、耐磨和機械耐久性而被廣泛用于骨科植入物。使用 LPBF 制造時，逐層凝固過程會產(chǎn)生沿構(gòu)建方向排列的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致機械性能因方向不同而產(chǎn)生顯著差異。該研究量化了這些變化，并評估了熱處理如何改變材料的結(jié)構(gòu)以解決機械差異。

△LPBF制備的 CoCrMo 合金的微觀結(jié)構(gòu)分析。圖片來自Materials Futures。

機械測試表明，打印的 CoCrMo 樣品沿構(gòu)建方向的伸長率為 19.1%，而垂直方向的伸長率僅為 9.3%，差異超過 100%。沿構(gòu)建軸的極限拉伸強度 (UTS) 也更高，為 1173.7 MPa，而垂直方向為1048.6 MPa。

柱狀晶粒通常沿 <001> 方向排列，限制了跨晶界的位錯運動，導(dǎo)致垂直于構(gòu)建軸的延展性降低。熔池邊界的高位錯密度進一步影響了應(yīng)力分布，導(dǎo)致較弱方向上的過早失效。

再結(jié)晶重新配置晶粒形態(tài)

在 1150°C 下進行一小時的固溶熱處理可引發(fā)完全再結(jié)晶，將柱狀晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒。電子背散射衍射 (EBSD) 分析測得的再結(jié)晶率為 94.6%，證實打印樣品中觀察到的高縱橫比晶粒結(jié)構(gòu)已被消除。

熱處理樣品的拉伸試驗表明，UTS 值在各個方向上均等，分別為 906.1 MPa 和 879.2 MPa，而伸長率分別達到 20.2% 和 17.9%。晶粒形態(tài)的轉(zhuǎn)變降低了各向異性效應(yīng)，提高了機械性能的均勻性。

△粉末形態(tài)和 LPBF 加工參數(shù)。圖片來自 Materials Futures。

固溶處理后，在 450°C 下退火0.5 小時，引發(fā)了額外的微觀結(jié)構(gòu)變化。TEM 成像在熱處理樣品中發(fā)現(xiàn)了納米級馬氏體板條和退火孿晶。核平均取向差 (KAM) 映射證實，熱處理后殘余應(yīng)力顯著降低。

晶粒尺寸分析發(fā)現(xiàn)，熱處理后的樣品保留了晶粒直徑的輕微各向異性，但消除了由晶粒形態(tài)引起的伸長率差異。X射線衍射（XRD）測量表明，γ-FCC和ε-HCP相在熱處理后保持穩(wěn)定，未檢測到相變。

殘余強度降低及進一步研究考慮

盡管熱處理消除了各向異性的機械行為，但與打印的 CoCrMo 合金相比，處理后的樣品強度有所降低。固溶處理去除了柱狀晶粒結(jié)構(gòu)，而退火通過沉淀物形成和孿晶界引入了新的強化機制。

需要進一步研究來評估晶粒邊界處沉淀物的形成如何影響長期斷裂行為。該研究沒有檢查耐磨性或疲勞性能，因此對經(jīng)過處理的 CoCrMo 合金在循環(huán)載荷下的性能仍存在疑問。

△再結(jié)晶對晶粒取向和相變的影響。圖片來自 Materials Futures。